高中生物新课程科学探究能力目标解析

摘要  《普通高中生物课程(实验)》对学生的科学探究能力提出了11条具体要求。本文对这11条具体要求的意义和内涵作了较深入的分析。

关键词  课程标准 科学探究  能力

《普通高中生物课程(实验)》(以下简称《标准》)在“课程目标”部分,对发展高中学生的科学探究能力提出了如下要求:客观地观察和描述生物现象;通过观察或从现实生活中提出与生物学相关的、可以探究的问题;分析问题,阐明与研究该问题相关的知识;确认变量;作出假设和预期;设计可行的实验方案;实施实验方案,收集证据;利用数学方法处理、解释数据;根据证据作出合理判断;用准确的术语、图表介绍研究方法和结果,阐明观点;听取他人的意见,利用证据和逻辑对自己的结论进行辩护以及作必要的反思和修改。现将这十一项要求的具体内涵简析如下。

1.客观地观察和描述生物现象

科学发现离不开观察。科学探究中的观察(即科学观察)与日常生活中的观察不尽相同。日常生活中的观察是指人们通过自己的感觉器官对周围事物进行的察看;科学观察是指在自然发生的条件下,通过自身感觉器官或仪器设备,有目的有计划地对研究对象进行观察。科学观察是搜集科学事实的基本途径,是生物学研究的基本方法之一。

科学观察必然伴随着观察者的思维活动,但是,科学观察必须遵循客观性原则。由于观察者总是在一定的知识背景、生活经验和思维方式下进行观察的,因此,观察结果容易受到观察者主观因素的影响。为了保证观察结果的客观性,观察者一定要克服先入为主的观点,不能以主观臆测代替客观事实。此外,还必须认真仔细,不能马虎,必要时要进行多次重复观察。

科学观察包括直接观察和间接观察。前者是通过观察者的感官进行的,后者是借助于仪器设备进行的。与初中生物学课程中的观察活动不同的是,高中生物学课程中间接观察活动明显增多。

对观察到的现象还要进行客观的描述,包括及时、如实、清楚的记录,用生物学术语描述自己的观察结果等。

2.通过观察或从现实生活中提出与生物学相关的、可以探究的问题

观察固然很重要,但是没有引出问题的单纯的观察,即使是观察到了新的现象,也并不能引发真正的科学探究。科学探究的逻辑是:提出问题→解决问题→提出新问题。可以说,提出问题是科学探究的逻辑起点。数学家希尔伯特说:“只要一门科学分支能提出大量问题,它就充满生命力;而问题的缺乏则预示着独立发展的衰亡或中止。”爱因斯坦进一步指出:“提出一个问题往往比解决一个问题更重要,因为解决一个问题也许仅仅是一个数学上或实验上的技能而已,而提出新的问题,新的可能,从新的角度去看旧的问题,却需要创造性的想象力,而且标志着科学的真正进步。”(1)

“通过观察或从现实生活中提出与生物学相关的、可以探究的问题”这句话,包括三层意思:一是将提出问题的能力作为科学探究能力的一项具体要求,二是指出了通过什么途径提问题,三是明确了提什么样的问题。

在科学探究中,问题的来源主要有三条途径:一是来自已有理论或知识同经验事实(来自观察)的矛盾,二是来自理论本身存在的逻辑困难或悖论,三是来自不同理论的论争。就高中学生而言,问题主要来自已有知识同他们所观察到的现象的矛盾。《标准》中所说通过观察或从现实生活中提出问题,这里所说的观察主要是指学生在生物学课程的学习中所作的观察,这里所说的“现实生活”主要是指学生的生活经验,实际上是指学生在日常生活中所做的观察。教师应该注意提示和引导学生关于通过观察发现问题、提出问题。

关于问题的类型,从不同的角度可以有不同的分类。例如,根据人类不同活动领域的性质,可以将问题分为科学问题和非科学问题,物理、化学、生物学等方面的问题属于科学问题,政治、经济、宗教、艺术等方面的问题属于非科学问题;根据问题指向的应答域的真实性,可以将问题分为真实问题和虚假问题,“怎样延长发动机的使用寿命?”是真实问题,“怎样制造一部永动机”则是虚假问题;根据问题的清晰明确程度及应答域的大小,可以将问题分为抽象问题和具体问题,问题过大、过于笼统,应答域就太宽,不确定因素就太多,研究起来可能就无从下手。《标准》主张学生应学会提出与生物学相关的问题,即科学问题;应学会提出可以探究的问题,即真实问题和具体问题。

还应当指出,学生还应当学习提出有探究价值的问题,即值得探究的问题。有的问题过于简单,不能引发深入的探究,就属于没有探究价值的问题,详见人教版教材在“探究植物细胞的吸水和失水”部分的案例。

3.分析问题,阐明与研究该问题相关的知识

提出问题以后,学生应当对问题进行分析。首先应当分析所提出的问题是不是科学问题,是不是可以探究的问题,是不是有探究价值的问题,这样可以不断提高学生提出问题的能力;其次,要分析问题的表述是否明确、具体,是否可以从多个角度去回答,是否很明确地预示探究的方向;第三,要分析问题的指向是定量的要求还是定性的要求,其解决的途径大致是观察还是实验或其他途径,等等。这样的分析有助于问题的进一步明确,有时,通过这样的分析还可以对问题作适当的修改。

为了更好地确定要探究的问题和理清探究的思路,还需要对自己已经掌握的与研究该问题有关的知识进行回忆和梳理。例如,在《探究影响酶活性的条件》一节课上,某小组的同学提出的问题是:“温度高低是不是对酶的活性有影响?”,经过讨论,他们阐明了以下与研究该问题相关的知识:酶是生物催化剂,酶之所以能够起催化作用,是因为它能显著降低化学反应的活化能;酶的活性是指酶在特定的化学反应中的催化效率;酶具有高效性和专一性;细胞中的酶促反应一般是在常温常压下进行的;绝大多数酶是蛋白质;蛋白质具有复杂的结构,不同的蛋白质具有不同的功能,蛋白质之所以具有特定的功能与它的结构有关;高温能使蛋白质变性,也就是使蛋白质的结构发生改变。这时有同学说:“既然高温能使蛋白质变性,而酶是蛋白质,因此,温度过高肯定对酶的活性有影响。我看我们的问题应该修改一下,改为‘温度过低是不是对酶的活性有影响?’”其他同学也都同意他的意见,于是对问题作了修改。小组间交流之后,另一个小组受他们的启发,又提出了新的问题:“温度过高肯定会影响酶的活性,但是,到底多高才算过高呢?在温度升高到‘过高’之前,温度升高会不会对酶的活性有影响呢?我们主张设置一系列温度梯度来做实验……”可见,“阐明与研究该问题相关的知识”这一环节,在科学探究中是确有必要的。

4.确认变量

很多问题的探究都涉及控制变量。要控制变量首先要确认变量,其次要知道如何测定变量。实验中的变量包括自变量(亦称实验变量或调节变量)、因变量(亦称反应变量)和无关变量(亦称干扰变量)。自变量是指实验中根据实验目的需要人为改变的因素,因变量是指随着自变量的变化而变化的因素,无关变量是指除自变量外,实验过程中可能还会存在的一些对实验结果造成影响的因素。例如,在“温度对酶活性的影响”实验中,温度是自变量,酶活性是因变量,反应物的浓度、pH、酶的剂量、反应时间等就是无关变量。

有人认为确认变量只是在实验设计时才需要做、才能够做的,其实不尽然。在问题提出后确认变量,有助于明确问题的实质;对变量做仔细辨析和自定义后,可进一步明确该问题的探究在现有条件下能否进行,而这些工作在许多情况下都是可以在设计实验之前进行的。例如,对于“光照强度是否影响光合作用强度呢?”这一问题,从问题的表述即可看出,光照强度是自变量,光合作用强度是因变量。但是,什么叫光照强度?什么叫光合作用强度?同样波长的光照射时间长短不同,是否意味着光照强度不同?如果以白炽灯作光源,是以同样功率的灯泡不同距离照射来定义光照强度的不同,还是以不同功率的灯泡等距离照射来定义光照强度的不同?是以一定时间内淀粉生成量来定义光合作用强度,还是以一定时间内氧气生成量来定义光合作用强度?这些关于确认变量的问题明了之后,才能更好地作出假设和预期,才能更好地设计可行的实验方案。

5.作出假设和预期

 作出假设是指根据已有的知识和生活经验,对提出的问题作出尝试性的回答。在科学研究中,人们对一个问题的认识往往不是一步到位的,常常是根据已有的观察和经验提出某种假设,尽管这种假设可能会被后续的研究证据更正甚至推翻,但假设对科学问题的研究却常常起着一种引领的作用,因此,可以说作出假设是科学探究过程的重要环节。关于作出假设,还须说明以下几点:(1)作假设要有科学根据,而不是无端地猜测。对中学生而言,这里所说的科学根据主要是指他们已经掌握的科学知识和生活经验。当然,作出假设也离不开逻辑思维、联想和想像等。例如,关于二氧化碳浓度是否影响光合作用强度的问题,学生可以根据二氧化碳是光合作用必需的原料这一知识,作出“增加二氧化碳浓度能够提高光合作用强度”的假设。课堂教学中曾经出现这样的情况,某同学发言时说:我作出的假设有两种,一种是有影响,一种是没有影响。这样的假设就形同虚设了。(2)作出的假设应该是可以通过科学探究来检验的,不可能被观察和实验检验的假设就不是真正的假设。(3)作出假设通常是科学探究的重要环节,但不一定是所有的探究所必需的环节。例如,调查某种双子叶植物的种群密度这一探究,确定问题之后,直接去调查即可,不必先作假设,假设也无从做起。

预期是指根据假设对实验结果所做的符合逻辑的推论。例如,根据“增加二氧化碳浓度能够提高光合作用强度”这一假设,可以作出“环境中二氧化碳浓度增加后,植物的放氧量会随之增多”这一推论,这就是预期。实际上通过实验直接检验的往往是预期而不是假设。如果实验结果与预期相符,则说明假设是正确的;反之,则说明假设是错误的。当然,在真正的科学研究中也不能过于武断,还要考虑实验设计和操作是否有不当之处,避免由此导致错误结论。

6.设计可行的实验方案

作出假设和预期后,就需要设计实验来检验。“设计可行的实验方案”这句话至少包含两方面的要求:一是实验设计是在科学性上是合理的、严谨的,二是实验方案在现有条件下是可以进行的。

实验本质上也是观察。同单纯的观察不同的是,实验是在人为控制的条件下进行的观察。这里所说的控制既包括对研究对象的控制,如孟德尔豌豆杂交实验中的人工去雄和授粉,也包括对各种相关因素的控制,如对自变量和无关变量的控制。实验设计在科学性上的合理、严谨体现在实验原理的厘定、实验材料的选择、变量的控制、实验装置的设计、实验步骤的筹划、实验结果的观测手段等许多方面。

高中生物课中实验过程的设计应该遵循以下原则。

(1)控制性原则 在实验过程中,必须对研究对象及相关因素进行控制,控制的准确与否直接关系到实验的成败。例如,做温度对淀粉酶活性的影响的实验时,将盛有淀粉酶溶液的三支试管分别放入60 ℃、100 ℃和0 ℃的水中,保持5 min,再向这三支试管中分别加入1 mL淀粉酶溶液,充分摇匀,保持5 min……仅这两步操作就体现了四个方面的控制:温度、时间、酶的用量、使酶与底物充分接触(摇匀)。

(2)对照性原则 生物学实验大多为对照实验。设置对照的目的是为了排除自变量以外的其他因素对因变量的影响。例如,上面的例子中第一支试管(水温为60 ℃)即对照组,可以用它来排除淀粉酶制剂变质或浓度过低等因素对实验结果的影响。

(3)重复性原则 在科学研究中,如果一个人的实验别人都无法重复,那么他得出的实验结论就很难被学术界接受。这是因为实验过程中难免存在偶然的因素,操作不当或其他原因造成的误差也在所难免。因此,在实验设计中体现重复性原则是必要的。当然,在中学生物学实验中,因时间和实验室条件所限,组内不做重复实验或在实验中不设重复组,组间做相同的实验也可视为一种重复。从这个角度说,小组间交流也是十分必要的。

7.实施实验方案,收集证据

实施实验方案对于培养学生的动手能力和观察能力至关重要。做实验前,应当先检查所需要的材料用具,商定小组内的分工,成员都应当对自己要做的工作烂孰于心。操作过程中要严格遵守实验室安全规则,动作要准确,态度要认真仔细。同学之间要密切配合。实验过程中经认真观察,如实记录,从而获得实验证据。

8.利用数学方法处理、解释数据

数学方法的引入是使生物学跻身精确科学行列的重要途径。高中生物课程中涉及的数学方法大致包括数学的基本运算方法、计算平均值的方法、统计学方法、运用统计表的方法、画坐标图的方法、建立和使用数学模型的方法等。利用数学方法可以使探究的结论更具说服力。

9.根据证据作出合理判断

科学的“基本特点是以实证为判别尺度、以逻辑作论辩的武器、以怀疑作审视的出发点。”(2)只有恰当地运用证据和逻辑,才能对探究的问题的因果关系作出正确的判断,才能从实验结果中得出合理的结论。

10.用准确的术语、图表介绍研究方法和结果,阐明观点

将自己的研究结果告知他人也是科学探究的重要环节。在高中阶段,要求学生能够使用准确的生物学术语(而不是口头语言)和图表将自己研究方法、结果和观点告知他人。这显然比初中生物课程的有关要求要高。

11.听取他人的意见,利用证据和逻辑对自己的结论进行辩护以及作必要的反思和修改

在如何对待他人提出的不同意见方面,要求学生做到既要虚心听取,又要独立思考,不盲从他人,同时又不能固执己见。要本着实事求是的态度,利用证据和逻辑作出自己的判断,必要时对自己的结论进行修改和完善。

主要参考文献

1.科学方法概览,李建珊,科学出版社,2002年第1版。

2.美国国家科学教育标准,美国国家研究理事会,科学技术文献出版社,1999年第1版。


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